CN1113003A

CN1113003A - 一种测量金属熔液位移的方法及其装置

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Publication number: CN1113003A
Application number: CN94119967A
Authority: CN
Inventors: 山田健夫; 松本幸一; 手浩一; 菅原政夫; 长栋章生
Original assignee: Yamada Takeo Co Ltd; Nippon Steel Corp
Current assignee: Yamada Takeo Co Ltd; Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 1995-12-06
Anticipated expiration: 2014-12-27
Also published as: JPH07191130A; ITMI942640A1; CN1050912C; US5507854A; KR950019650A; ITMI942640A0; KR100300738B1; IT1271331B; JP3107183B2

Abstract

在金属熔液中插入第一和第二电极。给第一电极输送第一伪随机信号，同时第一伪随机信号和波形与其相同频率略与其不同的第二伪随机信号在第一乘法器中相乘，以计算出第一乘积值。一个从第二电极获得的信号和第二伪随机信号在第二乘法器中相乘，以计算出第二乘积值。根据各自出现在第一和第二乘积值时序图上的最大相关值之间的时间差，计算出金属熔液的位移。

Description

本发明涉及一种测量金属熔液位移的方法及其装置，更具体地涉及一种测量炉内熔融金属液位的方法及其装置。

对连铸炉铸模内金属熔液的液位进行定值控制，可提高铸锭的产量。业已提出和应用诸如电磁感应系统测距仪、应用辐射的系统测距仪和光系统测距仪等各种装置，用以定值控制金属熔液的液位。在这些用于测距的装置中，因其目的在于控制金属熔液的液位，故特别重视其再现性，但对液位大幅度位移的测量，还未认为这么重要。

近来随着探索设备自动化、和进一步提高产品质量活动的深入，已变得有必要在浇铸开始就对金属熔液的液位进行测量，直到其达到预定的控制液位。在开始测量液位时浇铸初始液位的位移很大，上述这些常规测量装置不能满足浇铸初始液位的测量有关要求。因此，旨在改进常规装置或获得新装置的研究和开发工作正在推进之中。

现对这些常规装置以及研制中的装置说明如下：

（1）电磁感应装置（涡流装置）

该装置使用一个发射线圈（励磁线圈）和一个接收线圈，在金属熔液表面产生一个磁场，以使由熔融金属表面形成的涡流所造成的磁场效应被用来测量金属熔液的液位。该装置测量精度高，因此目前主要用来控制金属熔液的液位。

（2）热电偶装置

在铸模中埋入热电偶，根据铸模内金属熔液的热量引起的温度变化，便可测量该金属熔液的液位。

（3）超声波装置

将超声波射入金属熔液，根据反射波返回所需时间，即可求得其在该熔液中经过的距离。

（4）电极装置

在铸模中放入一电极，以便测得金属熔液与该电极相接触时的液位。

（5）电磁波装置

在铸模上方设置发射/接收天线，以便向金属熔液的表面辐射电磁波并接收其反射波，从而根据电磁波的传播时间来测量金属熔液的液位。该装置曾在未审查的日本专利公报上予以公开，其公告号为（JP-A）Hei-2-98685和（JP-A）Hei-2-145985。

上述这些装置所存在的问题如下：

（1）电磁感应装置

由于可被测量的金属熔液液位的位移至多约为200毫米，因而不可能测量远大于该200毫米上限的浇铸初始液位和预定控制液位之间的液位的位移。另外，为了保护线圈免受金属熔液的高热，在线圈周围设置有陶瓷等保护管。这种保护管耐冲击力差。因此若金属熔液粘附在其上便不能再用，必须予以更换。因此其费用甚高。

（2）热电偶装置

响应特性差。另外，由于必须将热电偶埋入铸模内，因此该装置维修费用高。

（3）超声波装置

声波速度的变化取决于温度，因此该装置受铸模内热量的影响甚大，至今尚未获得实际应用。

（4）电极装置

一个电极只能测量一个液位状况，因此有必要对应各个待测液位状况分别设置相应的电极。

（5）电磁波装置

象铸模这样小的空间里，通常存在电磁波多次反射的影响，因此难以测量金属熔液的液位。另外，铸模周围的空间甚小，因此在那里没有供安装天线的空间。

本发明的一个目的是解决上述这些问题。

本发明的另一个目的是提供一种测量金属熔液位移的方法及其装置，用以在大范围内测量具有导电性的金属熔液的液位位移。

为了达到上述目的，依照本发明的一个方面即测量金属熔液位移的方法，在金属熔液中插入电极，根据由金属熔液液位位移所造成的传输信号的传输时间的变化，测量金属熔液液位的位移。首先，在具有导电性的金属熔液中插入第一电极和第二电极。然后，给第一电极输送第一伪随机信号，将第一伪随机信号和波形（pattern）与其相同、频率略与其不同的第二伪随机信号相乘，由此求得第一乘积值。第二伪随机信号与经过第二电极而获得的信号相乘，由此求得第二乘积值。最后，根据分别出现在所述第一和第二乘积值的时序图上的最大相关值之间的时间差，计算求得金属熔液的位移。

按照本发明第二方面，即该测量金属熔液位移的装置包括：用以产生第一伪随机信号的第一伪随机信号发生装置;用以产生与第一伪随机信号波形相同、但频率略有不同的第二伪随机信号的第二伪随机信号发生装置;被插入具有导电性的金属熔液中并被连接到第一伪随机信号发生装置上的第一电极;被插入金属熔液中的第二电极;用以使第一和第二伪随机信号发生装置的输出相乘、由此求得第一乘积值作为其输出的第一乘法器;被连接到第二电极以使第二电极的输出与第二伪随机信号发生装置的输出相乘、由此求得第二积值作为其输出的第二乘法器;和用以求得分别出现在所述第一和第二乘积值的时序图上的最大相关值之间的时间差、由此计算金属熔液位移的算术运算装置。

最好，所述第一伪随机信号发生装置由第一时钟脉冲发生装置驱动，其构成包括用以产生频率a振荡的第一个振荡器，用来产生以甚高于频率a的频率c振荡的公用振荡器，用以混合该公用振荡器的输出和该第一振荡器输出的第一混频器，和用以从该第一混频器的输出获得频率为（c+a）输出的第一带通滤波器;而所述的第二伪随机信号发生装置由第二时钟脉冲发生装置驱动，其构成包括用以产生略不同于频率a的频率a′振荡的第二振荡器，用以混合该公用振荡器的输出和该第二振荡器输出的第二混频器，和用以从该第二混频器的输出获得频率为（c+a′）输出的第二带通滤波器。

第一伪随机信号和第二伪随机信号的波形相同，但频率略有不同。当第一伪随机信号和第二伪随机信号各自的脉冲在各周期相互一致时，所述第一乘积值的时间序列图形便取最大相关值，该最大相关值即为最大值。这个最大值随周期T而产生。

所述周期T由下式表示：

T＝K/△f …（1）

其中：K是常数，相当于构成该第一伪随机信号M1和该第二伪随机信号M2的一个周期的位数（时钟脉冲数）。△f是信号M1一位的时钟脉冲频率f1和信号M2一位的时钟脉冲频率f2之差，其表达式如下：

△f＝f1-f2 …（2）

所述第二乘积值的时序图也有对于所述周期T的最大值。所述第一伪随机信号M1经过该第一电极，金属熔液和第二电极传输时，其滞后于所述第二伪随机信号M2的时间为Td。因此如图7所示，其最大值滞后于第一乘积值的最大值的时间为X。

该滞后时间X由下式表示：

X＝（Td/△t）×P2 …（3）

△t＝P2-P1 …（4）

其中：P1表示M1的周期，而P2表示M2的周期。由于时间Td依据金属熔液液位的位移而变化，若测得X以便借助于表达式（3）求得Td，便可求得金属熔液液位的位移。若已知液位的位移，则可确定基准液位，因而也可求得基准液位和金属熔液液位之间的距离。另外，在表达式（3）中，若使△t的值小于Td、使P的值大，那末Td的值便被放大P2/△t倍，因此能进行高精度的测量。更何况，依照本发明进行的测量，在不使用通常情况下所用的反射装置的同时，诸信号在电极和金属熔液的内部传输。因此，可能获得大的信噪比，而且不存在多次反射的影响，其结果可高精度测量金属熔液的液位。

图1为本发明一个实施方案的结构框图;

图2为时钟脉冲发生器的结构框图;

图3为说明伪随机信号发生器一个实例的简图;

图4为3级移位寄存器输出伪随机信号的状态图;

图5A和5B为说明相关值输出的附图;

图6为说明相关周期T计算方法的附图;

图7为说明第一低通滤波器的输出S1和第二低通滤波器的输出S2的简图;

图8为说明金属熔液的液位和信号传输距离的简图;

图9为说明相位差X的计算简图;和

图10为举例说明本发明实施方案中实际测量值的一个实施例的简图。

以下将说明本发明的一个实施方案和计算上述表达式的方法。

图1表示本发明的一个实施方案的结构，图2表示时钟脉冲发生器的结构。第一时钟脉冲发生器1产生每时钟脉冲f1的频率，第二时钟脉冲发生器2产生每时钟脉冲f2的频率，频率f2略小于f1。第一伪随机信号发生器3产生周期为P1的第一伪随机信号M1，第二伪随机信号发生器4产生波形与信号M1相同但周期为P2的第二伪随机信号M2，周期P2略为不同于周期P1。第一乘法器5使由第一伪随机信号发生器3经传输线Lc供给的信号M1和由第二伪随机信号发生器4经传输线La供给的信号M2相乘。第二乘法器6使由第一伪随机信号发生器3经传输线Ld供给的信号M1和由第二伪随机信号发生器4经传输线Lb供给的信号M2相乘。

第一低通滤波器7从第一乘法器5的输出中消除高频分量，并输出周期介于最大相关值之间的时间序列图形。同样，第二低通滤波器8从第二乘法器6的输出中消除高频分量，并输出周期介于最大相关值之间的时序图。算术运算单元9根据第一低通滤波器7和第二低通滤波器8的时序图的最大相关值之差、计算金属熔液的液位。

传输线Ld上接有部分插入铸模12内金属熔液13中的第一电极10和第二电极11以使电极10和电极11经金属熔液13实现电连接。

图2表示第一时钟脉冲发生器1和第二时钟脉冲发生器2的结构。第一晶体振荡器21产生频率fa，例如fa为30.001兆赫芝，第二晶体振荡器22产生频率fb，例如fb为30，000兆赫芝，公用振荡器23产生频率fc，例如fc为1470兆赫芝。举例来说，由均衡调制器或其它类似器件构成的第一混频器24输出频率为fc±fa的信号。第二混频器25输出频率为（fc±fb）的信号。第一带通滤波器26通过频率为（fc+fa）的第一混频器24的输出信号，第二带通滤波器27通过频率为（fc+fb）的第二混频器25的输出信号。

由第一晶体振荡器21输出的30.001兆赫芝信号和由公用振荡器23输出的1470兆赫芝的信号在第一混频器24中相混合，其结果输出两个频率分别为1500.001兆赫芝和1439.999兆赫芝的信号。其中1500.001兆赫芝的信号通过第一带通滤波器26，其结果作为第一时钟脉冲频率f1而被输出。同样，由第二晶体振荡器22输出的30.000兆赫芝的信号和从公用振荡器23输出的1470兆赫芝的信号在第二混频器25中相混合，其结果输出频率分别为1500.000兆赫芝和1440.000兆赫芝的两个信号。两个频率分别为1500.000和1440.000兆赫芝的信号均通过第二带通滤波器27，其结果输出频率f2为1500.000兆赫芝的第二时钟脉冲信号。通过这样配置，频率f1和f2之差精确地保持为1千赫芝。

上述常规时钟脉冲发生器曾在未审查的日本专利公报（JP-A）NO.Hei-2-145985上予以公开，在该公报上图7中所示带通滤波器（29-1）和（29-2）必须具备足以准确分离3.001兆赫与2.999兆赫的带通滤波特性。因而其电路设计是困难的。相反，依照上述图2所示的结构。1千赫芝的（频率）差是在作为本机振荡器的第一晶体振荡器21和第二晶体振荡器22的双重作用下得到的，而60兆赫芝的很大频率差是在混频器24和混频器25的输出频率间得到的。因此，不要求第一带通滤波器26和第二带通滤波器27具有如此陡峭的特性，这些特性可用诸如声表面波（SAW）滤波器，晶体滤波器之类的一般滤波器予以实现。

图3说明第一和第二伪随机信号发生器即最大寄存器长度时序信号（Maximal-length sequence signal）（缩写为M-sequence signal译为M型时序信号，）发生器的结构。

该图是说明由3位构成的M型时序信号发生器的结构图。为便于说明起见，图中所示为3位情形，但可使用更多位，例如7位的移位寄存器。该M型时序信号发生器由表现为与时钟脉冲信号同步触发的移位寄存器30和“异”门电路31构成，“异”门电路（31）的输入由移位寄存器30的最后级及其前级的信号所供给，其输出信号则供给移位寄存器30的第一级。

图4表示采用图3所示3级移位寄存器情况下而得到的M型时序信号。若级数为n，则一个周期内的时钟脉冲数（位数）可用P＝2ⁿ-1来表示，因此，就3级位移寄存器而言，n＝3于是P＝7。

假设由图1所示第一伪随机信号发生器3产生的第一伪随机信号M1的一位的时钟脉冲频率为f1，由第二伪随机信号发生器4产生的第二伪随机信号M2的一位的时钟脉冲频率为f2，那末信号M1和M2的周期P1和P2如下式所示：

P1＝（2ⁿ-1）/f1

P2＝（2ⁿ-1）/f2 …（5）

伪随机信号M1和M2之间的一个周期的时间差△t表示为：

△t＝P2-P1

＝（2ⁿ-1）（f1-f2）/（f1·f2） …（6）

其中：f1＞f2。更具体地说，当f1＝1500.001兆赫芝，f2＝1500.000兆赫芝，则该移位寄存器有7级：

P1＝（2ⁿ-1）/f1

＝（2⁷-1）/1500.001×10⁶

＝84666.61022（微微秒）

P2＝（2ⁿ-1）/f2

＝（2⁷-1）/1500.000×10⁶

＝84666.66667（微微秒）

一个周期的时间差△t，其值如由下式（6）求得，是很小的：

△t＝P2-P1

＝0.0565（微微秒）

图5A和图5B表示由乘法器5和6得到的相关值。图5A表示由图14所示3级移位寄存器中一个周期的伪随机信号M1和M2的图形。图5A还展示了该图中一位的放大图形，并显示信号M1和M2各自第一位的变化过程，即从两者移1位的初始状态、逐步变成两者相一致的下一状态、又进一步变成两者再移一位的另一状态。图5B表示了相关值。在图5A中，一个周期P2的信号M2和一个周期P1的信号M1相互移了如式（6）所示的△t。一个周期P1和P2各自由7位组成。因此，在一个周期P1和P2中各自第一位互移了△t/7即各自的七分之一，最后，一个周期P1和P2中的位数则互移了△t。行列①表示信号M1和M2互移一位的状态，行列②表示两者最接近，行列③则表示两者又互移一位的情况。在图5B中，纵座标表示与上述状态①、②和③相对应的相关值的大小，它表示图1所示低通滤波器7和8的输出，该三角形的顶点意指最大相关值。

伪随机信号M1和M2，当其周期P1和P2的相位相一致时，两者便相关。也就是说，若周期P1和P2的相位互移一位或更多位，则两者就不相关。因此，假定每一位的M2的时间为B2，那末M1和M2能相关时的时间△T表示为：

△T＝2（B2/△t）×P1

＝2（1/△f） …（7）

其中：B2＝1/f2

B2/△t表示产生移一位所需要的M1的周期数P1，因此对应于该周期数的时间可通过周期P1与该数相乘而求得。因如此移一位不仅存在向前而且存在向后移，故如此求得的时间要乘以2。

下一步，将求出在获得一次相关后再次达到相关的时间T（相关周期）。图6表示周期P1相对于周期P2的相位变化，其中△t/与P1和P2相比取值较大，以便于说明。如图所示，若P1自位置A起被P2中包含的△t数而重复着，则便有可能到达位置B，在B点P1和P2间的关系与两者在A处的关系相同。因此，时间T由下式表示：

T＝（P2/△t）×P1

＝（P2/（P2-P1））×P1

＝（2ⁿ-1）/△f …（8）

表达式（8）指的便是上式（1）

图7表示图1中第一和第二低通滤波器7和8的输出。S1表示第一低通滤波器7的输出，而S2表示第二低通滤波器8的输出。S1和S2对于相关周期T有最大相关值。假定La至Ld各自表示传输线La至Ld的长度。当La＝Lb，Lc＝Ld时，S1和S2之间的相位差便为零。然而，当Lc≠Ld时，便出现对应于Lc和Ld之差的相位差X。

图8说明金属熔液的液位变化时Ld-Lc的变化。

假定：当液位为Ho时：Ld-Lc＝L′

当液位为H1时，Ld-Lc＝2L+L′若该液位的位移为L，则从第一伪随机信号发生器3到乘法器6所传输的信号M1便迟于传输到乘法器5的信号M1，其延迟时间Td如下式所示：

Td＝（2L+L′）/V …（9）

其中：V＝3×10⁸米/秒（光速），为信号M1通过电极和金属熔液的传输速度。图9表示延迟时间Td与相位差X之间的关系。在位置A和位置B周期P2和P1的相位彼此相同。在位置A，S1出现最大相关值的同时S2在位置B出现最大相关值。在相位差X中各有n个P2和P1周期，P2的n个周期和P1的n个周期之差由n△t表示。由于该n△t等于延迟时间Td，故下式成立：

Td＝n△t …（10）

此外，n＝X/P2，

X＝（Td/△t）P2 …（11）

＝Td×f1/△f

＝[（2L+L′）×f1]/（v×△f） …（12）

表达式（11）指得便是前式（3）

金属熔液的液位由式（2）求得，也就是说，初始液位HO作为基准而给定。液位为HO时，若使其位移等于零，并若获得液位HO时的相位差XO，则可根据表达式（12）求得L。此外，如果液位H1比基准液位HO低L时，得到相位差X1，那末将L′和X1代入表达式（12）便可求得L。如果金属熔液的液位变成高于液位HO，则计算求得的位移L为负值。

如果金属熔液液位的位移L由L1变为L2，那末对应于其位移的相位差X1和X2由下式表示。

X1＝[（2L1+L′）×f1]/（v×△f） …（13）

X2＝[（2L2+L′）×f1]/（v×△f） …（14）

此时的相位差改变量△X则表示如下：

△X＝X2-X1

＝[2（L2-L1）×f1]/（v×△f）

＝2△L×f1/（v×△f） …（15）

其中△L＝L2-L1

从而可获得相位差的改变量△X和位移差△L之间的关系，以便可根据△X计算求得△L。若已知△L，则还可计算偏离基准液位的位移量L或金属熔液的液位。

接着，将求出上述诸量的具体数值供研究之用。

（1）使构成伪随机信号发生器的移位寄存器的级数n＝7。

P＝2ⁿ-1＝127

（2）设定时钟脉冲频率

f1＝1500.001兆赫芝

f2＝1500.000兆赫芝

（3）确定位移差

△L＝1毫米

若将上述数值代入表达式（15），则有：

△X＝[2△L×f1）/（v×f1）

＝2×1×10^-3×1500×10⁸/（3×10⁸×1×10³）

＝0.00001（秒）

＝10×10^-6（秒）

通常，每毫米信号传播时间△X′被表示为：

△X′＝2L/v

＝（2×1×10^-3）/（3×10⁸）

＝6.7×10^-12（秒）

△X/△X′＝10×10^-6/（6.7×10^-12）

＝1.5×10⁶

因而信号传播时间被延迟大约150万倍（1.5-million-fold），这样一来，就使所述信号的处理变得更容易、更精确。

图10表示依照本发明的实施方案得到的液位测量的结果。横坐标表示用作金属熔液的钢水的液位，纵坐标表示代表液位测量值的电压。测量是在f＝1500兆赫芝，△f＝1千赫芝以及构成伪随机信号发生器的移位寄存器的级数n＝7的条件下进行的。在所述测量试验中、曾将相位差X值输入计算机，以便在计算机内进行运算，可使液位或偏离基准位的距离的测量变得更容易、更快速。

虽然以上说明的是关于钢水用作金属熔液的测试结果，但在其他测试中曾对各种不同导电性的金属熔液进行过测试，其液位或位移均能精确地予以测量。

所述装置有效地用于浇铸初始阶段金属熔液的液位大幅度位移之时，而具有高精度的涡流装置则可用于该液位一旦达到预定值的受控状况之后。不过，若不要求高精度，所述装置可连续使用。至于所述装置的电极，可使用具有高于金属熔液熔点的金属，否则便给该金属熔液自动加料。若用作电极的材料与金属熔液的相同，即使电极被熔化，它也不会对金属熔液造成影响。

从以上说明可清楚地看到，依照本发明，两个电极被插入金属熔液中，一个信号经依次为一个电极、金属熔液和另一个电极的电路而被传输。于是金属熔液液位的变化可用传输距离的变化来表示，而传输距离的这种变化可被认为是该信号的滞后时间。因此，若该滞后时间被延长到一个大值然后被测量，则便可精确地测得该金属熔液的液位。此外，本发明有下述效果。

（1）由于所述电极和所述金属熔液被用作所述信号的传播介质，因而不存在常规反射装置出现的多级反射的不良影响。另外，所述信号的电平很高，以便可改善信噪比。

（2）由于仅仅在所述金属熔液中插入所述的两个电极，不必设置天线之类的器件，因而可在容纳小如（连续铸锭的）钢坯般型材（其体积用立方厘米表示）的铸模中对所述液位进行测量。

（3）能从大位移到小位移这样宽的范围测量所述金属熔液的液位，而且可连续进行所述测量。

（4）响应快

（5）可将导线用作电极，以致可大幅降低所述装置的成本。

Claims

1、一种测量金属熔液位移的方法包括如下步骤：

把第一和第二电极插入具有导电性的金属熔液中；

给所述第一电极传送第一伪随机信号，然后将所述第一伪随机信号和波形与所述第一伪随机信号相同、频率略与所述第一伪随机信号不同的第二伪随机信号相乘，由此计算出第一乘积值；

将所述第二伪随机信号与经过所述第二电极而得到的信号相乘，由此计算出第二乘积值；和

根据分别出现在所述第一和第二乘积值时序图上的最大相关值之间的时间差，计算出所述金属熔液的位移。

2、一种测量金属熔液位移的装置包括：

用以产生第一伪随机信号的第一伪随机信号发生装置;

用以产生波形与所述第一伪随机信号的相同、但频率略不同于所述第一伪随机信号的第二伪随机信号的第二伪随机信号发生装置;

被插入具有导电性的金属熔液中并被连接到所述第一伪随机信号发生装置上的第一电极;

被插入所述金属熔液的第二电极;

用以将所述第一伪随机信号发生装置的输出与所述第二伪随机信号发生装置的输出相乘、从而得到第一乘积值的第一乘法器;

被连接到所述第二电极上、并用以将所述第二电极的输出与所述第二伪随机信号发生装置的输出相乘、从而得到第二乘积值的第二乘法器;

用以对所述第一乘法器的输出进行积分的第一积分运算装置;

用以对所述第二乘法器的输出进行积分的第二积分运算装置;和

用以求得各自出现在所述第一和第二积分值时序图上的最大相关值之间的时间差从而计算所述金属熔液位移的算述运算装置。

3、如权利要求2所述的测量金属熔液位移的装置，其特征在于所述第一伪随机信号发生装置由第一时钟脉冲信号发生装置驱动，其构成包括用以产生频率a振荡的第一振荡器、一个用以产生甚高于所述频率a的频率c振荡的公用振荡器、用以混合所述公用振荡器的输出和所述第一振荡器输出的第一混频器、和用以从所述第一混频器的输出获得频率为（c+a）输出的第一带通滤波器;和所述第二伪随机信号发生装置由第二时钟脉冲信号发生装置驱动，其构成包括用以产生略不同于所述频率a的频率a′振荡的第二振荡器、用以混合所述公用振荡器的输出和所述第二振荡器输出的第二混频器、和用以从所述第二混频器的输出获得频率为（c+a′）输出的第二带通滤波器。